CN107058831B - 一种铝活塞燃烧室的二次浇注材料及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝活塞燃烧室的二次浇注材料及制造方法，其要解决现有技术中对于活塞燃烧室部位的抗热疲劳性能较差的问题，燃烧室区域由于耐热金属元素的富集，结合燃烧室部位的快速冷却，耐热金属合金相细小而充分弥散，从而使燃烧室区域铝合金的耐热性能成倍的提升。二次浇注材料，由以下组分组成：镍3‑15％，铜4‑15％，铁0.4‑6％，硅5‑15％，镁0‑0.8％，钛0.05‑5％，硼0.0002‑2.5％，锰0‑0.5％，锆0‑0.2％，钒0.1‑0.2％，钪0‑0.5％，余量为铝和不可避免的杂质，其中的％为质量百分数。
Description
技术领域
本发明属于活塞制造领域，具体涉及铝活塞的二次浇注材料及制造方法。具体是在铸造过程中采用二次浇注的方法改变其燃烧室部位的成分，提高该部位耐热元素含量，并调整优化了其他元素的含量，以达到燃烧室部位增强的目的。
技术背景
目前，随排放要求越来越严格，商用车发动机都在向大功率、高负荷的方向发展，强化程度不断提高。对活塞性能，尤其是活塞燃烧室部位的疲劳强度提出更高的要求。为应对此要求，部分发动机活塞采用锻钢材料，但是该材料比重大难于加工，制约了其推广应用。有些发动机活塞的头部增加陶瓷复合材料以提高活塞喉口的抗热疲劳性能，但采用陶瓷复合材料成本较高，质量难于控制，不适合大批量推广应用。活塞燃烧室喉口重熔技术成本较高。大部分厂家为便于大批量生产以及提高性能在材料成分中加大了镍、铜等元素在合金中的含量，但是由于活塞是整体的，镍、铜等元素的提高，恶化了材料的铸造性能，对于活塞成型极为不利，也不利于活塞铸造过程中的补缩，同时镍、铜等元素的提高，对于活塞的常温性能没有提高，甚至有一定程度的下降，因此如何平衡活塞各个部位的要求，尤其重要。
综上所述，现有技术中对于活塞燃烧室部位的抗热疲劳性能较差的问题，尚缺乏简单有效低成本的解决方案。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种铝活塞燃烧室的二次浇注材料，由以下组分组成：镍3-15％，铜4-15％，铁0.4-6％，硅5-15％，镁0-0.8％，钛0.05-5％，硼0.0002-2.5％，锰0-0.5％，锆0-0.2％，钒0.1-0.2％，钪0-0.5％，余量为铝和不可避免的杂质，其中的％为质量百分数。
该二次浇注材料是在正常浇注铝活塞材料的基础上进行的燃烧室二次浇注材料，材料中含有较高的镍、铜、铁等成分，通过二次浇注，将高含量的耐热金属元素合金浇入到活塞燃烧室区域，形成在燃烧室区域耐热金属元素的富集，并向活塞其他部位形成过渡层，过渡层的成分是渐变的，因此过渡层金相较为细小，强度与基体区相差不大，能满足活塞对性能的需求。而燃烧室区域由于耐热金属元素的富集，结合燃烧室部位的快速冷却，耐热金属合金相细小而充分弥散，从而使燃烧室区域铝合金的耐热性能成倍提升。
进一步的，所述二次浇注材料，由以下组分组成：镍3.5-14％，铜4-14％，铁0.4-5％，硅5-15％，，镁0-0.8％，钛0.05-5％，硼0.0002-2.5％，锰0-0.5％，锆0-0.2％，钒0.1-0.2％，钪0-0.5％，余量为铝和不可避免的杂质，其中的％为质量百分数。
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了上述二次浇注材料在二次浇注铝活塞燃烧室中的应用。
当采用该二次浇注材料在浇注正常铝活塞材料的基础上，进行二次浇注，可以显著提高铝活塞燃烧室的耐热性能。而燃烧室部位以外的区域，由于是常规组分的铝合金，所以保证了铝活塞的铸造性能和低温性能，能较好地满足活塞的使用要求。
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明还提供了利用上述二次浇注材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：
1)自模具的浇口位置浇入设定质量正常成分的铝液；
2)自模具的冒口中浇入设定质量的上述二次浇注材料，二次浇注材料的温度为790-950℃，制得铝活塞毛坯；
3)活塞毛坯经热处理、机加工及表面处理工序加工成成品。
首次浇注时采用正常成分的铝液浇注铝活塞的本体，保证了铝活塞的铸造性能和铝活塞的成型。二次浇注采用上述二次浇注材料，且二次浇注材料的温度较高，所以浇注后会在铝活塞的燃烧室的成分自外向内得到耐热金属元素富集区、成分过渡区以及正常材料成分区，活塞燃烧室喉口区域在较高温度的二次浇注材料的作用下重熔，得到充分细化。同时，在冒口区域进行二次浇注，其补缩通道畅通，缩孔及氧化夹杂等铸造缺陷较少，使燃烧室区域的性能得到明显的提高。
进一步的，二次浇注材料中的镍铜铁的含量越高，浇注的温度越高。
二次浇注材料的温度控制在790-950℃，温度控制按不同成分进行调整，镍铜铁等元素含量低时取下限，控制在800℃左右。镍铜铁等元素含量高时取上限，控制在940℃左右。
进一步的，将所述二次浇注材料放置于感应搅拌保温炉中。
感应搅拌保温炉对合金有较好的搅拌作用，使金属液成分均匀，具有良好的保温效果。
进一步的，二次浇注材料的质量与正常成分铝液的质量比例为1:8-1:20。
当二次浇注材料与正常成分铝液的质量比在该范围内时，浇注得到的铝活塞具有更佳的耐热性能。
进一步的，步骤2)中，将漏斗放置在冒口中，将二次浇注材料引流至铝活塞的燃烧室。
针对上述现有技术中存在的问题，本发明还提供了利用上述方法制造的铝活塞，所述铝活塞的燃烧室由外到内依次为耐热金属元素富集区、成分过渡区和正常材料成分区。
本发明还提供了上述铝活塞在大功率、高负荷发动机中的应用。
由于该铝活塞的燃烧室具有良好的抗热疲劳性能，所以应用在发动机中时，使发动机可以具有大功率和高负荷，提高了发动机的性能。
本发明的有益效果为：
通过二次浇注将高含量耐热金属元素合金浇入到活塞燃烧室区域，形成在燃烧室区域耐热金属元素的富集，并向活塞其他部位形成过渡层，过渡层的成分是渐变的，因此过渡层金相较为细小，强度与基体区相差不大，能满足活塞对性能的需求。而燃烧室区域由于耐热金属元素的富集，结合燃烧室部位的快速冷却，耐热金属合金相细小而充分弥散，从而使燃烧室区域铝合金的耐热性能成倍的提升，试验数据可以看出，在爆压19-22MPa对应的条件下，燃烧室喉口寿命可提高3-5倍，活塞寿命得到相应的提高，从而解决了目前发动机国五、国六以后对活塞性能更加苛刻的要求，为环境的改善创造良好的基础。同时发动机燃油耗、机油耗的降低，将为整个社会节约大量能源。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为浇注正常成分铝液时的结构示意图；
图2为浇注二次浇注材料时的结构示意图；
图3为浇注得到的铝活塞毛坯的结构示意图；
图4为铝活塞燃烧室成分的分布示意图。
其中，1、浇勺，2、顶模，3、外模，4、小浇勺，5、漏斗，6、铝活塞毛坯，7、耐热金属元素富集区，8、成分过渡区，9、正常材料成分区，10、铝活塞本体。
具体的实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
术语解释部分：
二次浇注材料，本文中的材料应用在进行首次铝活塞浇注后的二次浇注过程中，需要与首次浇注的铝液配合浇注，得到铝活塞，所以在本文中命名为二次浇注材料。
首次浇注过程中使用的正常成分铝液，可以为现有的任意可以用于浇注铝活塞的铝液，但是为了保证浇注的铝活塞的铸造性能和常温性能，该正常成分的铝液中镍、铜、铁等耐热金属元素的含量应该小。
耐热金属元素富集区，由于该区域是由本文中的二次浇注材料浇注而成，所以该区域的镍、铁、铜等耐热金属元素的含量相对较高，进而使得该区域具有较好的耐热性能，将其命名为耐热金属元素富集区。
成分过渡区，该区域是在二次浇注过程中，高温的二次浇注材料与首次浇注得到的材料之间发生扩散得到的区域，该区域的镍、铁、铜等元素的含量小于耐热金属元素富集区，大于正常成分区，所以命名为成分过渡区。
正常成分区，顾名思义，是由正常成分铝液浇注得到的部位。
实施例1
利用二次浇注材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：
步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，二次浇注材料的成分是含有3.5％的镍、4％的铜、0.4％的铁、5％的硅、0.1％的镁、0.05％的钛，0.0002％的硼，0.05％的锰，0.05％的锆，0.05％的钒，除杂质元素外，余量为铝。铝液温度控制范围在800℃。
步骤2：用浇勺1舀取并用电子天平称量正常成分的铝液，再按常规方式自浇口中浇入铝液，如图1所示。
步骤3：自感应搅拌保温炉中用小浇勺4舀取高合金含量的铝液，用金属漏斗5自冒口中浇入，通过漏斗5将该二次浇注材料导流至铝活塞的燃烧室进行二次浇注，如图2所示。浇注得到的铝活塞毛坯6的结构示意图如图3所示。
步骤4：铝活塞毛坯6经热处理、机加工及表面处理工序活塞加工成成品10，活塞燃烧室区域成分自外向内呈现耐热金属元素富集区7、成分过渡区8及正常材料成分区9，活塞燃烧室喉口区域9经铸造过程的快速冷却得到充分细化增强，如图4所示。
实施例2
利用二次浇注材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：
步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，二次浇注材料含有4％的镍、5％的铜、0.6％的铁、7％的硅、0.2％的镁、0.08％的钛，0.00025％的硼，0.08％的锰，0.08％的锆，0.09％的钒，除杂质元素外余量为铝。铝液温度控制范围在810℃。
步骤2：用浇勺1舀取并用电子天平称量正常成分的铝液，再按常规方式自浇口中浇入铝液，如图1所示。
步骤3：自感应搅拌保温炉中用小浇勺4舀取高合金含量的铝液，用金属漏斗5自冒口中浇入，通过漏斗5将该二次浇注材料导流至铝活塞的燃烧室进行二次浇注，如图2所示。浇注得到的铝活塞毛坯6的结构示意图如图3所示。
步骤4：铝活塞毛坯6经热处理、机加工及表面处理工序活塞加工成成品10，活塞燃烧室区域成分自外向内呈现耐热金属元素富集区7、成分过渡区8及正常材料成分区9，活塞燃烧室喉口区域9经铸造过程的快速冷却得到充分细化增强，如图4所示。
实施例3
利用二次浇注材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：
步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，二次浇注材料含有5％的镍、6％的铜、0.7％的铁、8％的硅、0.4％的镁、0.12％的钛，0.00025％的硼，0.12％的锰，0.11％的锆，0.10％的钒，除杂质元素外余量为铝。铝液温度控制范围在815℃。
步骤2：用浇勺1舀取并用电子天平称量正常成分的铝液，再按常规方式自浇口中浇入铝液，如图1所示。
步骤3：自感应搅拌保温炉中用小浇勺4舀取高合金含量的铝液，用金属漏斗5自冒口中浇入，通过漏斗5将该二次浇注材料导流至铝活塞的燃烧室进行二次浇注，如图2所示。浇注得到的铝活塞毛坯6的结构示意图如图3所示。
步骤4：铝活塞毛坯6经热处理、机加工及表面处理工序活塞加工成成品10，活塞燃烧室区域成分自外向内呈现耐热金属元素富集区7、成分过渡区8及正常材料成分区9，活塞燃烧室喉口区域9经铸造过程的快速冷却得到充分细化增强，如图4所示。
实施例4
利用二次浇注材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：
步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，二次浇注材料是含有7％的镍、8％的铜、0.8％的铁、10％的硅、0.5％的镁、1.0％的钛，0.4％的硼，0.2％的锰，0.12％的锆，0.12％的钒，0.1％的钪，除杂质元素外余量为铝。铝液温度控制范围在830℃。
其他步骤如实施例1。
实施例5
利用二次浇注材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：
步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，二次浇注材料含有8％的镍、9％的铜、1.5％的铁、11％的硅、0.6％的镁、2.0％的钛，0.9％的硼，0.3％的锰，0.14％的锆，0.13％的钒，0.2％的钪，除杂质元素外余量为铝。铝液温度控制范围在815℃。
其他步骤如实施例1。
实施例6
利用二次浇注材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：
步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，二次浇注材料含有8％的镍、9％的铜、1.5％的铁、11％的硅、0.6％的镁、2.0％的钛，0.9％的硼，0.3％的锰，0.14％的锆，0.13％的钒，0.2％的钪，除杂质元素外余量为铝。铝液温度控制范围在850℃。
其他步骤如实施例1。
实施例7
利用二次浇注材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：
步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，二次浇注材料含有14％的镍、14％的铜、3.5％的铁、14％的硅、0.7％的镁、4.0％的钛，1.9％的硼，0.4％的锰，0.2％的锆，0.2％的钒，0.5％的钪，除杂质元素外余量为铝。铝液温度控制范围在940℃。
其他步骤如实施例1。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种利用二次浇注材料制造铝活塞的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)自模具的浇口位置浇入设定质量正常成分的铝液；
2)自模具的冒口中浇入设定质量的二次浇注材料，二次浇注材料的温度为790-950℃，制得铝活塞毛坯；
3)活塞毛坯经热处理、机加工及表面处理工序加工成成品；
所述二次浇注材料，由以下组分组成：镍3-15％，铜4-15％，铁0.4-6％，硅5-15％，镁0-0.8％，钛0.05-5％，硼0.0002-2.5％，锰0-0.5％，锆0-0.2％，钒0.1-0.2％，钪0-0.5％，余量为铝和不可避免的杂质，其中的％为质量百分数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：二次浇注材料中的镍铜铁的含量越高，浇注的温度越高。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将所述二次浇注材料放置于感应搅拌保温炉中。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：二次浇注材料的质量与正常成分铝液的质量比例为1:8-1:20。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中，将漏斗放置在冒口中，将二次浇注材料引流至铝活塞的燃烧室。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：二次浇注材料，由以下组分组成：镍3.5-14％，铜4-14％，铁0.4-5％，硅5-15％，镁0-0.8％，钛0.05-5％，硼0.0002-2.5％，锰0-0.5％，锆0-0.2％，钒0.1-0.2％，钪0-0.5％，余量为铝和不可避免的杂质，其中的％为质量百分数。
7.利用权利要求1-6任一所述方法制造的铝活塞，其特征在于：所述铝活塞的燃烧室由外到内依次为耐热金属元素富集区，成分过渡区和正常材料成分区。
8.权利要求7所述铝活塞在大功率、高负荷发动机中的应用。
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Denomination of invention: Secondary pouring material and manufacturing method for an aluminum piston combustion chamber Granted publication date: 20180720 Pledgee: Binzhou branch of China CITIC Bank Co.,Ltd. Pledgor: BINZHOU BOHAI PISTON Co.,Ltd. Registration number: Y2024980014544 |
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